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FORSCHUNG/1928: Molekulare Alkoholforschung (Ruperto Carola/Uni Heidelberg)


Ruperto Carola - Forschungsmagazin der Universität Heidelberg 2/2008

Verhängnisvolle Signale
Ein molekularer Schalter wacht über das Wohl und Wehe von Leberzellen

Von Nadja Meindl-Beinker und Steven Dooley


Die Liste möglicher Gesundheitsrisiken, die mit einem chronisch überhöhten Alkoholkonsum einhergehen, ist lang. Besonders gefährdet ist die Leber das wichtigste Stoffwechselorgan des Körpers. Unter dem stetigen Einwirken des Alkohols wandeln sich Leberzellen - Topspezialisten mit überlebenswichtigen Aufgaben - in funktionsloses Bindegewebe um. An diesem verhängnisvoll endenden Prozess ist ein Botenstoff maßgeblich beteiligt, der natürlicherweise für das Gesunderhalten der Leber unerlässlich ist, in der geschädigten Leber aber zum "bad guy" wird, der das Organ verkümmern lässt. Detaillierte Kenntnisse über die Funktion dieses Botenstoffes und die von ihm angestoßenen molekularen Signalwege versprechen eine bessere Diagnose und Therapie.


Die Leber ist das größte, wichtigste und komplexeste Stoffwechselorgan des Körpers. Sie erfüllt mehr als 500 unterschiedliche, zum Teil üherlebenswichtige Aufgaben: Sie speichert beispielsweise Nährstoffe, sie synthetisiert Proteine und baut Giftstoffe ab. Fortwährender Alkoholmissbrauch schädigt die Leber und zählt zu den häufigsten Ursachen chronischer Lebererkrankungen: In Deutschland waren durch Alkohol verursachte Lebererkrankungen im Jahr 2005 die zehnthäufigste Todesursache von Männern.

Die krankhaften Veränderungen der Leber beginnen als Leberverfettung und -entzündung. Während des weiteren Krankheitsverlaufs wird hoch spezialisiertes Lebergewebe durch funktionsuntüchtiges Bindegewebe [Fibrose] ersetzt. Dabei vergrößert sich die Leber zunächst, bevor sie mit höckeriger und knotiger Oberfläche schrumpft und verhärtet [Zirrhose]. Die Folge ist ein dramatischer Funktionsverlust des Organs. Häufig entsteht auf dem Boden einer Leberzirrhose ein bösartiger Leberzellkrebs. Er zählt weltweit zu den fünf häufigsten Tumorerkrankungen bei Männern.

Die hepatische Fibrogenese, das krankhafte Vermehren von Bindegewebe in der Leber, ist ein entscheidender Schritt auf dem Weg zu Leberzirrhose oder Leberzellkrebs. Das Erforschen der zellulären und molekularen Mechanismen, die eine Fibrose begünstigen, ist von großer Bedeutung, um neue diagnostische Tests und Medikamente zu entwickeln.

Herkömmlich werden Ultraschall- und Blutuntersuchungen eingesetzt, um Lebererkrankungen zu diagnostizieren. Auch Messungen der Lebersteifheit, sogenannte Fibroscans, können erfolgreich eingesetzt werden. Goldstandard der Diagnose ist jedoch nach wie vor die Gewebeentnahme [Biopsie]. Doch auch sie kann, vor allem in frühen Stadien, nicht garantieren, dass eine Schädigung der Leber erkannt wird. Um den Grad der Leberschädigung zu bestimmen und eine Risikovorhersage für den einzelnen Patienten vornehmen zu können, ist es erforderlich, die Diagnosemethoden weiterhin zu verbessern. Nur so lassen sich auch die Behandlungserfolge vergrößern.

Morphologie der Progression des chronischen Leberschadens.
Abb. 1: Morphologie der Progression des chronischen Leberschadens. Gelbe Box, Schaden-verursachende Faktoren. Der untere Teil des Bilds zeigt die Histologie der verschiedenen Progressionsstadien nach Färbung von Gewebeschnitten. Erkennbar sind: Fetteinlagerungen bei der Steatose (weiß); eingewanderte inflammatorische Zellen bei der Steatohepatitis (zahlreiche kleine Zellen, erkennbar an der Verdichtung des Gewebes durch blau gefärbte Zellkerne); beginnende Vernarbung durch Ablagerung von extrazellulärer Matrix (blaue Linie) bei Fibrose; Auftreten von den Zellverband vollständig umschließenden Matrix-Straßen bei Zirrhose (blaue Färbung); Auftreten von unorganisierten Tumorzellen beim Karzinom.



Die Leber kann sich unter bestimmten Umständen sehr gut regenerieren. Dennoch muss man sich vor Augen führen, dass die Lebertransplantation die derzeit einzige Methode ist, ein Leberversagen zu behandeln. Es endet ansonsten mit dem Tod des Betroffenen. Aufgrund der hohen Regenerationsfähigkeit ist es meist ausreichend, eine Leberhälfte zu transplantieren. Das macht Lebendspenden von Familienangehörigen oder anderen passenden Spendern möglich. Spenderorgane sind jedoch grundsätzlich nur begrenzt verfügbar.

Es besteht deshalb ein großer Bedarf an neuen Therapien. Für deren Entwicklung ist es erforderlich, die molekularen Mechanismen, die einer Lebererkrankung zugrunde liegen, detailliert zu erforschen. Das ist das Ziel unserer Arbeitsgruppe "Molekulare Alkoholforschung" in der Medizinischen Fakultät Mannheim der Universität Heidelberg.

Die Leber besteht zu rund 60 bis 70 Prozent aus Leberzellen [Hepatozyten] und zu circa 30 bis 40 Prozent aus Zellen unterschiedlicher Herkunft, beispielsweise Gallengangepithelzellen, Fibroblasten, Kupfferzellen, sinusoidalen Endothelzellen, lebereigenen natürliche Killerzellen und hepatischen Sternzellen [hepatic stellate cells, HSCs]. Alkohol schädigt das komplexe Organ auf zwei Wegen [siehe oben Abbildung 1 und auch unten Abbildung 2].

1. Er lässt die Lipopolysaccharid-Spiegel im Blut ansteigen. Lipopolysaccharide [LPS] sind ein Bestandteil der Zellwand von Bakterien, sie zählen zu den stärksten entzündungsverursachenden Substanzen. Lipopolysaccharide binden an spezielle Rezeptoren, die natürlicherweise auf der Oberfläche von Kupfferzellen und hepatischen Sternzellen vorkommen. Das aktiviert die Sternzellen und bewirkt deren Umwandlung in sogenannte myofibroblastenartige Zellen [Myofibroblasten]. Aktivierte Sternzellen setzen zudem Botenstoffe frei, welche die Kupfferzellen der Leber dazu anregen, ihrerseits entzündungsfördernde Botenstoffe zu produzieren. Das lockt entzündungsbegünstigende [inflammatorische] Zellen an. Botenstoffe, die von den inflammatorischen Zellen, den Kupfferzellen und den aktivierten Sternzellen freigesetzt werden, verstärken zusätzlich die Umwandlung von Sternzellen in Myofibroblasten. Myo-Fibroblasten synthetisieren extrazelluläre Matrix, eine aus verschiedenen Komponenten bestehende, zwischen die Zellen eingelagerte Grundsubstanz. Aus ihr entwickelt sich das Narbengewebe. Während diese Prozesse bei der Wundheilung wichtig sind, um die Funktion des gesamten Organs zu erhalten, schädigen sie die Leber umso stärker je länger sie anhalten.

Bislang wurden die Sternzellen nahezu exklusiv als Ausgangszellen für die matrixproduzierenden Myofibroblasten angesehen. Unsere Daten und die anderer Arbeitsgruppen belegen neuerdings, dass auch andere Leberzellen, etwa die Gallengangepithelzellen und sogar die Leberzellen selbst, aktiv zur Vernarbung des Lebergewebes beitragen.

2. Der Alkohol schädigt unmittelbar das Funktionsgewebe, das Parenchym, der Leber. Und zwar durch sogenannte reaktive Sauerstoffspezies. Wenn der Alkohol in die Leber gelangt, wird er von Enzymen abgebaut. Die dabei entstehenden Abbauprodukte versetzen die Zelle in einen sogenannten oxidativen Stress, der die Leberzellen schädigt. Sie sterben ab. Dabei werden Botenstoffe frei, die den Prozess der hepatischen Fibrogenese antreiben, die entstehende Wunde wird durch Bindegewebe ersetzt und vernarbt.

Mechanismen des alkoholabhängigen progressiven Leberschadens.

Abb. 2: Mechanismen des alkoholabhängigen progressiven Leberschadens. Chronischer Alkoholkonsum schädigt die Leber aus zwei Richtungen. Zum Einen (zellulärer Effekt) steigt durch Alkoholkonsum die Konzentration an bakteriellen Endotoxinen (Lipopolysaccharide, LPS) im Blut an. LPS bindet an Oberflächen-Rezeptoren von HSCs, Die so induzierte Aktivierung der HSCs führt zur Synthese und Freisetzung von profibrogenen Botenstoffen (z.B. TGF-β). Dies wiederum führt zur Aktivierung von Kupfferzellen, die proinflammatorische Botenstoffe produzieren. Es folgt die Rekrutierung von inflammatorischen Zellen, womit das Stadium einer Hepatitis erreicht wird. Der zweite relevante Mechanismus beinhaltet die direkte Schädigung des Leberparenchyms durch reaktive Sauerstoffspezies. Der Alkohol gelangt in die Leber und wird von Enzymen (ADH, Cyp2E1) abgebaut. Die Abbauprodukte verursachen metabolischen Stress, der zu erhöhter Fettablagerung (Fettleber) und zur Schädigung der Hepatozyten führt. Diese reagieren mit Zelltod (Apoptose oder Nekrose) oder fibroblastoide Phänotypveränderung. Dabei werden Botenstoffe freigesetzt, die Fibrogenese antreiben. KC, Kupfferzelle; EC, Endothelzelle, IC, inflammatorische Zelle; ECM, extrazelluläre Matrix; MFB, Myofibroblast; EMT, Epitheliale-Mesenchymale Transition; HC, Hepatozyt; D-HC, geschädigter HC; F, Fettablagerung; A-HC, apoptotische HC; ADH, Alkoholdehydrogenase; Cyp2E1, Cytochrom C P450 Oxidase; GSH, Glutathion.



Der "Transforming Growth Factor", kurz TGF-β, ist der wichtigste Botenstoff der hepatischen Fibrogenese. Er vermittelt natürlicherweise viele zelluläre Prozesse und ist beispielsweise an der Zellteilung oder an der Spezialisierung von Zellen beteiligt. Auch am sogenannten programmierten Zelltod [Apoptose], dem "Freitod" von Zellen nach irreversiblen Schädigungen, spielt der Botenstoff eine Rolle.

In der gesunden Leber kommt TGF-β so gut wie nicht vor. In einer Leber, die von Alkohol oder anderen Noxen geschädigt ist, wird der Botenstoff zunächst als "good guy" im Rahmen eines Wundheilungsprozesses aktiviert - in der akuten Situation ist dies eine organerhaltende Notwendigkeit.

TGF-β bindet an der Oberfläche von Leberzellen an einen Komplex von Rezeptormolekülen und aktiviert mehrere Signalwege [detaillierte Darstellung in der folgenden Grafik]. Die wichtigsten sind die sogenannten Smad-Signalwege. Sie enden mit dem Entstehen eines Proteinkomplexes, der die Aktivität zahlreicher Zielgene kontrolliert. Alternativ werden durch TGF-β auch "Nicht-Smad-Signalwege" aktiviert. Sie erweitern zusätzlich das Spektrum der physiologischen TGF-β-Antworten.

Die auf diese Weise vervielfältigte Signalweiterleitung versetzt TGF-β in die Lage, die Proteinzusammensetzung einer Zelle und damit deren Funktion grundlegend zu ändern. Wird die Leber durch Alkoholmissbrauch oder eine chronische Virusinfektion dauerhaft geschädigt, ist der TGF-β-Signalweg in den Leberzellen dauerhaft aktiv: Der Botenstoff wird zum "bad guy", der das Organ zunehmend vernarben lässt - das Kernproblem der hepatischen Fibrogenese.

Der bei einer alkoholbedingten Lebererkrankung wichtigste medizinische Rat lautet, absolut auf Alkohol zu verzichten. Auch weitere Verhaltensregeln können den Verlauf chronischer Lebererkrankungen positiv beeinflussen: Die Patienten sollten auf Normgewicht, normale Blutfettwerte und strenge Diabeteseinstellung achten. Eine Lebererkrankung, die von Hepatitis-B- oder Hepatitis-C-Viren hervorgerufen ist, kann mit Virostatika behandelt werden. Die Therapie mit diesen virushemmenden Medikamenten ist bisher jedoch nur in gewissem Maße erfolgreich, da die Wirkstoffe die Viren nicht komplett eliminieren können. Man hofft, künftig sogenannte Add-On-Therapien einsetzen zu können, die entzündungshemmend oder antifibrogen wirken.

Neue molekular-therapeutische Ansätze, die geeignet sind, chronische Leberschäden zu behandeln, leiten sich aus dem detaillierten Verständnis der hepatischen Fibrogenese ab. Mögliche Angriffspunkte für neue Medikamente sind beispielsweise die Moleküle, die die Fibrogenese begünstigen. Eine Reduktion des oxidativen Stresses könnte mit Antioxidantien [Flavonoide, Tocopherol] erreicht werden. Die an der Fibrogenese beteiligten Zellbotenstoffe könnten mit geeigneten Wirkstoffen blockiert oder die Myofibroblasten eliminiert werden.

Als bedeutender, die Fibrogenese begünstigender Botenstoff ist TGF-β das potenziell wichtigste Ziel molekularer Therapien. Verschiedene Strategien, den TGF-β-Signalweg zu blockieren, werden derzeit bereits erprobt. Einige Ansätze verfolgen das Ziel, die TGF-β-Rezeptoren oder die Aktivität der TGF-β-Rezeptor-Kinase, eines wichtigen in der Signalkette aktiven Enzyms, zu hemmen. Auch eine Blockade der Smad-Signalwege, durch physiologische Gegenspieler [etwa Smad7] ist denkbar. Mit dem Antagonisten Smad7 ist es uns kürzlich in einem gentherapeutischen Ansatz gelungen, den Verlauf der Fibrogenese bei Ratten und Mäusen mit Leberfibrose zu verlangsamen.

TGF-β-Signaltransduktion

Abb. 3: TGF-β-Signaltransduktion.
(I) TGF-β bindet an der Zelloberfläche an einen Komplex aus Typ II- und Typ I-TGF-β-Rezeptormolekülen und aktiviert mehrere Signalkaskaden. Als wichtigste sind die kanonischen Smad-Signalwege zu nennen. Nach Ligandenbindung an den Typ-II-Rezeptor erfolgt eine Rekrutierung und Modifizierung (Phosphorylierung) von zwei verschiedenen Typ-I TGF-β-Rezeptoren, ALK-1 und ALK-5, die ihrerseits die intrazellulären rezeptorabhängigen (R-)Smad-Proteine Smad2 und 3 (ALK-5) sowie Smad1, 5 und 8 (ALK-1) phosphorylieren. Anschließend dissoziieren die R-Smads vom TGF-β-Rezeptorkomplex, binden an das Co-Smad-Protein Smad4 und translozieren in den Kern. Dort regulieren sie als Transkriptionsfaktoren, gegebenenfalls unter Mitwirkung von anderen Coaktivatoren oder Corepressoren, die Transkription von zahlreichen Zielgenen. Neben dem canonical Smad-Signalweg werden durch TGF-β alternative Nicht-Smad-Signalwege aktiviert. Diese Non-Smad-Signalwege tragen über drei alternative Mechanismen zu den physiologischen Antworten von TGF-β bei: (II) Non-Smad-Proteine (Z) modifizieren Smad-Proteine (z.B. durch Phosphorylierung) und modulieren so die Aktivität zentraler Smad-Effektoren; (III) die Smad-Proteine wechselwirken mit Proteinen von Non-Smad-Signalkaskaden (x) und modulieren deren Aktivität (z.B. Kinasen, Y); (IV) die TGF-β-Rezeptoren rekrutieren und phosphorylieren direkt Non-Smad-Proteine (V), womit sie ein paralleles Signal auslösen, das mit dem Smad-Signalweg kooperiert oder konkurriert, um physiologische Antworten auszulösen.

potentielle Stellen, um den Signalweg zu blockieren.



Wenn die bisherigen vorklinischen Studien weiterhin erfolgreich verlaufen, ist geplant, den medizinischen Nutzen einer TGF-β-Blockade auch beim Menschen zu bewerten. Möglicherweise erwachsen aus der Hemmung der TGF-β-Effekte neue Maßnahmen, um chronische Lebererkrankungen effektiv zu behandeln.

Dabei darf man die überlebenswichtige Aufgabe des "good guy" TGF-β bei der Heilung akuter Leberschäden nicht außer Acht lassen. Es ist wichtig, genau zu wissen, zu welchem Zeitpunkt des Krankheitsverlaufs die Hemmung des TGF-β-Signalwegs erfolgen muss und in welcher Dosis ein Hemmstoff verabreicht werden darf. Diese beiden wichtigen Aspekte sind Schwerpunkte unserer Arbeit.

Das weitere Aufschlüsseln der verzweigten TGF-β-Signalwege und deren Zuordnung zu krankheitsbegünstigenden Schritten verspricht weitere neue diagnostische und therapeutische Ansätze. Im Idealfall könnten patientenspezifische diagnostische Marker identifiziert und eine auf jeden einzelnen Patienten individuell zugeschnittene Therapie entwickelt werden [personalisierte Medizin].

Langfristiges Ziel unserer Forschungsarbeiten ist es, Lebererkrankten eine Heilungs- und Überlebenschance zu geben und ihnen zu einem gesunden Leben zu verhelfen.


Professor Steven Dooley leitet seit April 2004 als Stiftungsprofessor der Dietmar-Hopp-Stiftung die Sektion "Molekulare Alkoholforschung in der Gastroenterologie" in der II. Medizinischen Klinik der Medizinischen Fakultät Mannheim. Zuvor forschte er an der RWTH Aachen. Im Jahr 2003 wurden seine Forschungsarbeiten mit dem Gábor-Szász-Preis der Deutschen Gesellschaft für Klinische Chemie und Laboratoriumsmedizin ausgezeichnet.
Kontakt: steven.dooley@med.ma.uni-heidelberg.de

Dr. Nadja Meindl-Beinker habilitiert sich derzeit in der Arbeitsgruppe von Professor Dooley zum Thema "TGF-β Signaltransduktion und hepatozelluläres Karzinom" und wird für zwei Jahre mir einem Schlieben-Lange-Stipendium vom Ministerium für Wissenschaft, Forschung und Kunst des Landes Baden-Württemberg sowie dem Europäischen Sozialfond unterstützt. Nadja Meindl-Beinker promovierte an der Ruhr-Universität Bochum zum Thema "Peroxisomale Biogenese" und forschte anschließend an der Universität von Stockholm.


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Quelle:
Ruperto Carola - Forschungsmagazin der Universität Heidelberg 2/2008, S. 19-24
Herausgeber:
Der Rektor der Universität Heidelberg im Zusammenwirken mit der
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veröffentlicht im Schattenblick zum 30. Januar 2009